CN102384804B - 一种柱体应力感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱体应力感测装置，其是在柱体（10）上分布的缝隙（4）内布设有两列变形齿，信号光纤（6）夹持变形齿间。当柱体（10）在应力下变形时，在柱体（10）上的缝隙（4）内的两列变形齿之间的距离会改变，从而使夹持于两者变形齿间的信号光纤（6）的弯曲曲率变化，导致信号光纤（6）的弯曲损耗变化，通过测试单元（5）和处理单元（7）可推算出柱体（10）所受应力的大小。在具有第二信号光纤（8）时，对应信号光纤（8）的变形齿参数与对应信号光纤（6）的变形齿不同，通过获取同一时刻两者光纤的数据可计算出柱体（10）所受应力的方向。通过将柱体（10）和微弯结构的有机结合而构成了新型传感装置。

Description

一种柱体应力感测装置

技术领域

本发明属光纤应力传感装置，尤其是涉及一种基于光纤微弯损耗变化的柱体状应力传感装置。

背景技术

由于对滑坡、泥石流、地震、以及大型人工建筑物健康监测的需要，应力参数监测是技术人员最关心的重要参数之一，传统的以电和磁为核心的传感器由于耐久性、抗干扰能力等方面的缺陷导致其应用范围比较狭窄。随着对光纤理解的深入以及光纤技术的发展，越来越多的学者倾向于采用光纤技术方案对应力进行点式和分布式监测，中国专利申请号200410073021.2《埋入式微弯光纤传感器和微弯光纤传感器埋入与测试方法》的专利文献中，提出了一种包含有光纤的多节短套管构成的蛇形微弯光纤传感器，其套管间形成微弯点，相对于传统的传感器，其优点是抗电磁干扰、适用于多种岩体的检测、测试精度高、可以实现分布式监测，但该方案中，套管间形成的微弯点的弯曲曲率是随机的，也可能较大，也可能较小，当曲率过小时，光纤的强度就会受到影响，甚至很快就断裂了，造成传感装置的失效，另外微弯点处光纤的保护也明显不足，但若加强保护，又可能失去以微弯检测的条件，或者需要特殊的装置来保护，又无形中增加了成本。这些都限制了该发明的光纤传感器的推广使用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于柱体的光纤应力传感装置，采用的是预制的光纤微弯结构，不仅可以监测到应力的变化，同时可以计算出应力的大小，在有第二信号光纤时，还可以得到应力作用的方向。使本发明的光纤应力监测装置具有使用寿命长、精度高、用途广的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种柱体应力感测装置，其特征在于：在柱体10上分布有缝隙4，缝隙4的相对两面上分别布设有A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2，A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2相互交错对应，A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2对应布设在信号光纤6的两侧，信号光纤6通过延长光纤1接测试单元5，在测试单元5后面接处理单元7。

当柱体10在应力下变形时，缝隙4的宽度变化，使位于缝隙4的相对两面上的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2之间的距离也会改变，从而使夹持于两者变形齿间的信号光纤6的弯曲曲率变化，这又使信号光纤6的弯曲损耗变化，通过测试单元5可得到信号光纤6弯曲损耗变化的大小，并传递给处理单元7，处理单元7推算出柱体10所受应力的大小。由于在柱体10上布设有众多相互对应的变形齿，从而使信号光纤6的有效弯曲部分的长度大大延长，一方面减少了信号光纤6的弯曲曲率，另一方面提高该装置的精度，同时也大大延长了信号光纤6的使用寿命。

所述的缝隙4的分布方向是横向的，即与柱体10的轴向垂直。

所述的缝隙4的分布方向是纵向的，即与柱体10的轴向平行。

所述的缝隙4的分布方向是倾斜的，即与柱体10的轴向的夹角是大于零度小于九十度的。

有多条缝隙4平行分布于柱体10上。

所述的缝隙4以螺旋的方式分布于柱体10上。

所述的缝隙4分布于柱体10的外表面上。

所述的缝隙4分布于柱体10的内表面上。

所述的缝隙4是包含于柱体10内部的结构。

所述的缝隙4的宽度从柱体10的一端到另一端是变化的。

所述的柱体4和变形齿的膨胀系数的关系可以补偿温度效应，优选的是柱体10的膨胀系数略大于变形齿的膨胀系数。

所述的柱体10的材料是不锈钢、高分子材料、铜合金材料。

在所述的信号光纤6的一端安置有光反射装置，如光反射镜、光纤光栅、或在信号光纤的端面镀反射膜，或仅仅是将信号光纤的端面处理为镜面。

所述的信号光纤6的另一端通过延长光纤1与1X2光分路器的1口连接，1X2光分路器的2口分别接构成测试单元5的稳定光源和光功率计。

从柱体10的一端至另一端、分布于柱体10上缝隙4内的变形齿的齿高、齿距或齿形是变化的，如齿高是递增或递减的、齿距是递增或递减的、齿形顶端的曲率是递增或递减的。

所述的柱体10是轴连接器。

信号光纤6或信号光纤8的一部分没有被所述的分布于柱体10上缝隙4内的变形齿夹持，或该部分没有对应的变形齿，该部分的信号光纤6或信号光纤8是缓冲光纤，是用于吸纳或补偿其余部分信号光纤6或信号光纤8在弯曲变形时光纤长度的变化。

所述的信号光纤6或信号光纤8被防水材料包覆。

所述的防水材料是阻水油膏。

所述信号光纤6或信号光纤8为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤6或信号光纤8也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、一种柱体应力感测装置，是将柱体10与光纤微弯结构结合起来，充分发挥各自结构的优点，并互相补充，使该传感器的结构简单、坚固耐用、设计合理、操作方便且使用方式灵活、灵敏度高；

2、一种柱体应力感测装置，可以根据需要设计适当的光纤微弯结构，包括增加信号光纤6或信号光纤8的有效弯曲长度，从而一方面增加了检测的精度和灵敏度，并可以减少信号光纤6或信号光纤8的弯曲曲率，从而延长了信号光纤6或信号光纤8的使用寿命，使该光纤传感装置具有使用寿命长、精度高的特点；

3、一种柱体应力感测装置由于可以采用增加信号光纤6或信号光纤8长度的光纤微弯结构，从而可以使本装置可以响应更大的应力以及更大的应力作用距离，扩展了该装置的使用范围。

4、一种柱体应力感测装置中的柱体10可以是轴连接器，可以监测输出力矩或扭矩的大小。

5、一种柱体应力感测装置中的柱体10可以是经特殊加工的钢筋、钢棒或钢管，或其他坚固耐用的材料，安置于建筑物中或需监测的山体及岩体上，由于该结构具有较强的环境适应能力，和高灵敏的监测性，所以是一种良好的应力监测传感器。

综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，汇集了柱体10与光纤微弯结构的优势，并使其具有的优势进一步的放大，使本发明的装置具有更好的精度、更长的使用寿命、以及更优异的环境适应能力。

下面通过附图和实施例，对发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明第一具体实施方式的结构示意图。

图2为本发明第一具体实施方式中柱体沿的A-A’的剖面结构示意图。

图3为本发明第二具体实施方式的结构示意图。

图4为本发明第三具体实施方式的结构示意图。

附图标记说明:

1—延长光纤；4—缝隙；4-1—A侧变形齿；

4-2—B侧变形齿；5—测试单元；6—信号光纤；

7—处理单元；8—第二信号光纤；10—柱体；

4-3—第二A侧变形齿；4-4—第二B侧变形齿。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2所示，本发明包括一个在柱体10的外表面的缝隙4中的相对两个面上分别布设有A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2，A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2相互交错对应，A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2对应布设在信号光纤6的两侧，信号光纤6通过延长光纤1接测试单元5,测试单元5后面接有处理单元7。

当柱体10在应力下伸缩变形时，位于柱体10的外表面上的缝隙4中的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2之间的距离也会改变，从而使夹持于两者变形齿间的信号光纤6的弯曲曲率变化，这又使信号光纤6的弯曲损耗变化，通过测试单元5可得到信号光纤6弯曲损耗变化的大小，测试单元5将数据传递给处理单元7，处理单元7推算出柱体10所受应力的大小。由于在柱体10的外表面上的缝隙4中布设有众多相互对应的变形齿，从而使信号光纤6的有效弯曲长度大大延长，一方面减少了信号光纤6的弯曲曲率，另一方面提高该装置的精度，同时也大大延长了信号光纤6的使用寿命。

一种优选的做法是在信号光纤6中有一部分是作为缓冲光纤的，即该部分的信号光纤6附近没有对应的变形齿，当信号光纤6弯曲曲率变化时，缓冲光纤吸纳或补偿信号光纤6的长度的变化。

在监测柱体10的弯曲变形参数时，一种做法是将沿柱体10径向的某个方向的区域中的缝隙4内的变形齿去掉，该区域的信号光纤6作为缓冲光纤，这样可以监测到柱体10 变形的方向。

所述的缝隙4可以是螺旋形分布于柱体10的外表面、内表面或柱体10的内部。缝隙4也可以以多条平行的方式分布于柱体10上。

所述的柱体10是轴连接器，可以同时监测轴旋转的扭力、扭矩、角加速度以及转速。

所述的缝隙4的宽度从柱体的一端到另一端是变化的，这样可以进一步加大柱体10的变形范围。

通过选择适当的材料使柱体10和变形齿受温度影响的变形可以相互抵消或部分抵消，从而补偿温度带来的影响，如柱体10的膨胀系数稍大于变形齿的膨胀系数，在温度升高时，柱体10整体伸长，使缝隙4的宽度略微增加，同时温度的升高也使变形齿的高度也稍微伸长一些，可以看出两者的变化可以补偿一定的温度效应，通过选择两者的合适膨胀系数的材料可以尽可能的减少温度影响。

所述的柱体10的材料是不锈钢、高分子材料、铜合金材料。

在所述的信号光纤6的一端可以安置有光反射装置，如光反射镜、光纤光栅、或在信号光纤的端面镀反射膜，或仅仅是将信号光纤的端面处理为镜面。

所述的信号光纤6的另一端通过延长光纤1与1X2光分路器的1口连接，1X2光分路器的2口分别接构成测试单元5的稳定光源和光功率计。

从柱体10的一端至另一端、分布于柱体10上缝隙4内的变形齿的齿高、齿距或齿形是变化的，如齿高是递增或递减的、齿距是递增或递减的、齿形顶端的曲率是递增或递减的，可以根据实际要求改变，更增加了本装置的灵活使用能力。

所述信号光纤6为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤6也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤；或是多根信号光纤6并排夹持在变形齿间，或是多根信号光纤6通过树脂合并为信号光纤束或信号光纤带。

所述信号光纤6和延长光纤1外部包覆有防水材料，如防水油膏，可进一步防止水分子对信号光纤6和延长光纤1的侵蚀，延长了信号光纤6和延长光纤1的使用寿命。

实施例2

如图3所示，本实施例中，与实施例1不同的是：在缝隙4内安装有第二组变形齿，在第二组变形齿间夹持有第二信号光纤8，信号光纤8也通过延长光纤接测试单元5，可以通过使第二组变形齿的齿高、齿距或齿形等参数与信号光纤6变形齿的不同来做到对施加于柱体10上待测应力方向的测试，使本装置测试结果可靠程度提高。一种优选的做法是在信号光纤8中有一部分是作为缓冲光纤的，即该部分的信号光纤8附近没有对应的变形齿，当信号光纤8弯曲曲率变化时，缓冲光纤吸纳或补偿信号光纤8的长度的变化。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例3

如图4所示，本实施例中，与实施例1不同的是： 缝隙4纵向分布于柱体10的表面上，可以通过测试信号光纤6光功率变化来监测柱体10的扭转参数，如扭转力或力矩，扭转角度等参数。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种柱体光纤传感装置，其特征在于：包括沿柱体(10)的纵向分布于柱体(10)上的、在柱体(10)端部施加应力F作用下可以改变宽度的凹槽(4)，在凹槽(4)内部的相对两面上分别布设有多个A侧第一变形齿(4-1)和B侧第一变形齿(4-2)，A侧第一变形齿(4-1)和B侧第一变形齿(4-2)相互交错对应,且在A侧第一变形齿(4-1)和B侧第一变形齿(4-2)之间夹有第一信号光纤(6)，第一信号光纤(6)与测试单元(5)相接。

2.按照权利要求1所述的柱体光纤传感装置，其特征在于：所述的凹槽(4)以螺旋的方式分布于柱体(10)上。

3.按照权利要求1或2所述的柱体光纤传感装置，其特征在于：有两条或两条以上的凹槽(4)布设于柱体(10)上。

4.按照权利要求3所述的柱体光纤传感装置，其特征在于：两条或两条以上的凹槽(4)是互相平行的。

5.按照权利要求1或2所述的柱体光纤传感装置，其特征在于：从柱体(10)的一端至另一端、位于柱体(10)的凹槽(4)内分布的变形齿的高度、A侧变形齿之间和B侧变形齿之间的间距、或变形齿顶端的曲率是变化的。

6.按照权利要求1或2所述的柱体光纤传感装置，其特征在于：在所述的凹槽(4)内部的相对两面上分别布设有多个与A侧第一变形齿(4-1)并排的A侧第二变形齿(4-3)、和多个与B侧第一变形齿(4-2)并排的B侧第二变形齿(4-4)，且在A侧第二变形齿(4-3)和B侧第二变形齿(4-4)之间夹有第二信号光纤(8)，第二信号光纤(8)与测试单元(5)相接。

7.按照权利要求1所述的柱体光纤传感装置，其特征在于：所述的柱体(10)的膨胀系数大于变形齿的膨胀系数。

8.按照权利要求1所述的柱体光纤传感装置，其特征在于：所述的第一信号光纤(6)的一部分没有被所述的分布于柱体(10)上凹槽(4)内的变形齿夹持，或该部分没有对应的变形齿，该部分的第一信号光纤(6)是缓冲光纤。